Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

17.08.2017 16:21

Буровым раствором называется дисперсная система, имеющая сложный многокомпонентный состав, суспензионных, эмульсионных и аэрированных жидкостей, которые используются с целью промывания скважин во время бурения.

Бурение буровыми растворами применяется на практике с первой половины XIX века. Использование буровых растворов впервые предложил в 1833 году Фовелл, французский инженер.

Именно он в процессе канатного бурения он наткнулся на воду и заметил, что фонтанирующая вода является достаточно эффективным средством, удаляющим буровой шлам из скважины.

Буровой раствор при бурении скважин играет очень важную роль, поэтому к нему предъявляются особые требования. Во время циркуляции в скважине он должен:

  • создавать давление, противоположное поровому давлению;
  • очищать забой от вырубленной породы, что является главной задачей бурового раствора;
  • формировать фильтрационную корку на стенках скважины, тем самым делая крепче неустойчивые отложения;
  • снижать воздействие фильтрата бурового раствора на породы путем разобщения разбуриваемых пластов и открытого ствола;
  • транспортировать породу, которая вырубается, из скважинного ствола и удерживать ее во взвешенном состоянии после того, как циркуляция завершается;
  • передавать гидравлическую энергию на забойный двигатель и долото;
  • предупреждать обвалы;
  • обеспечивать высокое качество вскрытия продуктивных пластов;
  • обеспечивать смазывающее действие на буровой инструмент, а также предотвращать образование коррозии на нем;
  • охлаждать и смазывать долото;
  • обеспечивать охрану окружающей среды;
  • не допускать появления каких-либо осложнений во время бурения, к которым относится дифференциальный прихват, поглощение, нефтегазопроявление и др.;
  • предоставлять информацию о геологическом разрезе.

В связи с этим, существует несколько типов  буровых растворов, которые различны между собой по своему составу.

Состав бурового раствора может быть разным. Таким образом, во время вращательного бурения нефтяных и газовых скважин в качестве промывочных жидкостей могут быть использованы следующие:

  • агенты, в основе которых присутствует вода;
  • агенты на основе углеводорода;
  • эмульсионные агенты;
  • газообразные и аэрированные агенты.
  • техническая вода;
  • естественные буровые растворы;
  • глинистые растворы;
  • неглинистые растворы.

Из всех вышеперечисленных агентов самой доступной и бюджетной промывочной жидкостью является техническая вода.

Они обладает такими свойствами, как низкая вязкость, в связи с чем очень легко прокачивается, а также хорошо справляется с удалением шлама с забоя скважины. В связи с этим, техническая вода максимально охлаждает долото.

Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

Однако, она имеет и свои минусы, к которым относится плохая способность удерживать частицы вырубленной породы, особенно во время завершения циркуляции, а также не способность образования упрочняющей корки на стенке скважины.

Кроме этого, низконапорные пласты достаточно хорошо впитывают воду, что приводит к набуханию глинистых пород и ухудшению проницаемости нефтегазовых коллекторов.

К естественным буровым растворам относится водная суспензия, которая образуется в скважине при диспергировании шлама горных пород, которые разбуриваются на воде.

Главным преимуществом использования естественных буровых растворов является существенное снижение востребованности привозных материалов, что значительно экономит бюджет.

Однако, на качество и свойства таких растворов имеет значительное влияние минералогический состав, а также природные разбуриваемые глины, способ и режим бурения, тип породоразрушающего инструмента и т.д. Зачастую они имеют большое содержание в своем составе абразивных частиц.

В связи с этим, применение естественных буровых растворов является наиболее целесообразным тогда, когда геолого-стратиграфические условия свидетельствуют о том, что нет необходимости в промывочной жидкости высокого качества.

Наибольшая популярность при бурении скважин принадлежит глинистым буровым растворам. В буровом деле главное место принадлежит трем группам глинистых минералов: бентонитовым (монтмориллонит, бейделлит, нонтроиит, сапонит и др.), каолиновым (каолинит, галлуазит, накрит и др.), гидрослюдистым (иллит, бравиазит и др.).

 С точки зрения приготовления бурового раствора самые лучшие качества присущи монтмориллониту и другим бентонитовым минералам.

Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

Глинистые буровые растворы способы глинизировать скважинные стенки, в результате чего образуется тонкая и плотная корка. Благодаря этому фильтрат не попадает в пласты. Растворы обладают такой плотностью и вязкостью, что они способны удерживать шлам разбуренной породы даже в состоянии покоя, препятствуя оседанию на забой во время пауз в промывке.

Предлагаем ознакомиться  Картинки сапфира

Утяжеленные глинистые растворы создают высокое противоположное давление на пласты, тем самым предупреждая просачивание пластовых вод, нефти, а также газа в скважину и открытое фонтанирование во время бурения.

Но данные свойства являются как положительными и отрицательными одновременно, ведь по этим же причинам частицы породы в циркуляционной системе бурового раствора отделяются с трудом.

Неглинистыми буровыми растворами называются такие растворы, приготовление которых осуществляется без добавления глины. При приготовлении неглинистого бурового раствора с конденсированной твердой фазой используется в качестве основного компонента вода.

Дисперсная фаза в таком растворе формируется в результате химической реакции, которая приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния. Таким образом, раствор становится гелеобразным и после химической обработки становится седиментационно устойчивой системой.

Структурно-механические свойства подобного раствора остаются неизменными, не смотря на любую минерализацию. В связи с этим, целесообразность его применения состоит в обеспечении высокой устойчивости скважинных стенок.

Растворы, в основе которых находится углеводород, являются многокомпонентной системой, в которой основной средой является нефть или жидкие нефтепродукты, а в качестве дисперсной фазы выступает окисленный битум, асфальт или же глина, прошедшая специальную обработку.

Растворы данного типа не оказывают негативного воздействия на нефтегазовые коллекторы. Кроме этого им присущи смазывающие свойства, благодаря которым, значительно снижается расход мощности на холостое вращение бурильной колонны в стволе скважины, а также уменьшается износ бурильных труб и долот.

Но большим минусом применения данного вида буровых растворов является их достаточно высокая стоимость, а также их высокая пожароопасность и трудности во время очистки инструментов и оборудования.

  Поэтому, данные растворы целесообразно использовать при повышении эффективности бурения в породах-коллекторах и сохранения их нефтегазоотдачи на начальном уровне, а также во время бурения скважин в сложных условиях при разбуривании мощных пачек набухающих глин и растворимых солей.

Эмульсионные буровые растворы применяются во время бурения в глинистых отложениях и солевые толщах. Им присущи хорошие смазочные свойства. Кроме этого, они предотвращают прихват инструмента в скважине.

К аэрированным буровым растворам относятся смеси пузырьков воздуха с промывочными жидкостями, которыми являются вода, нефтяные эмульсии и другие. Соотношение эмульсий и воздуха должно быть до 1:30. В состав таких растворов часто добавляют специальные реагенты – поверхностно-активные вещества и пенообразователи. Это делается с целью увеличения стабильности данных растворов.

Такие свойства раствора, как его плотность, вязкость, статическое напряжение сдвига и т.д., определяются типом и количеством твердой фазы бурового раствора, которая оказывает огромное влияние на скорость бурения, вращение, а также стабильность ствола скважины.

В связи с этим, очень целесообразно использовать механическое оборудование, позволяющее контролировать содержание твердой фазы в растворе.

Система очистки бурового раствора может состоять из одного или нескольких модулей.

  • обработка всего количества циркуляции;
  • согласование очередности установки согласно размеру частиц, которые будут отделяться;
  • правильность монтажа, точная настройка, благодаря чему значительно повышается эффективность работы следующей ступени;
  • оптимизация процесса сепарации – обработка от четверти до половины объема циркуляции.

Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

При бурении скважин и  в процессе работы на нефтяных и газовых промыслах   используются специальные буровые растворы для бурения  нефтяных и газовых скважин.  Их готовят на месторождении, непосредственно перед началом  добычи этих полезных ископаемых.

Использование таких растворов дает возможность решать широкий спектр производственных задач – от обеспечения очистки и фильтрации ствола скважины и её забоя до обеспечения выполнения основных требований техники промышленной безопасности.

В связи с этим,  применение буровых растворов обязательно как в процессе бурения скважины, так в процессе эксплуатации любого промысла.

Современные буровые растворы отличаются по своим составам, весу, вязкости и прочим характеристикам, поэтому их приготовление производится с учетом таких факторов, как  индивидуальные особенности разрабатываемых залежей, применяемые технологии, финансовые параметры и так далее.

Предлагаем ознакомиться  Какова плотность алмаза

Буровой раствор – это сложная дисперсионная система, состоящая из  эмульсионных, аэрационных и суспензионных жидкостей, которые используются с целью  промывки скважинных стволов в процессе их  бурения.

Водные буровые растворы

  • В результате использования технической и морской воды вместо глинистого раствора проходка на долото повышается на 15– 20 %, а механическая скорость проходки – на 25–40 %.
  • Недостатки воды как бурового раствора: в перерывах между циркуляциями вода не удерживает шлам в скважине во взвешенном состоянии; глинистые отложения набухают, разупрочняются, снижается устойчивость ствола скважины.
  • Вода пригодна в качестве бурового раствора для бурения неглубоких скважин в твердых неглинистых породах карбонатно-песчаного комплекса, а также в гипсах и других отложениях.
  • Фильтрация воды в продуктивные пласты резко снижает их нефтеотдачу, вследствие создания водяного барьера, образования устойчивых водонефтяных эмульсий, набухания содержащихся в пласте глинистых минералов, препятствующих притоку нефти в скважину, что серьезно затрудняет освоение и ввод скважин в эксплуатацию.
  • Нестабилизированные глинистые растворы (суспензии) и суспензии из выбуренных пород представляют водные суспензии, образованные в процессе бурения путем «самозамеса» из разбуриваемых пород.

Гуматные растворы

К этому виду относится буровой глинистый раствор, стабилизированный углещелочным реагентом (УЩР). Применяют такой раствор при бурении в сравнительно устойчивом разрезе, в котором отсутствуют набухающие и диспергирующие глинистые породы.

Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

Допустимая минерализация для гуматных растворов не более 3 %, термостойкость не превышает 120–140 °С.

В отсутствие минерализации фильтрация гуматных растворов остается небольшой даже при температуре 200 °С, однако при высокой температуре усиливается загустевание раствора.

Буровые глинистые растворы, стабилизированные лигносульфонатными реагентами (сульфит-спиртовая барда (ССБ)). Используются при разбуривании глинистых отложений, гипсов, ангидритов и карбонатных пород.

Главной функцией лигносульфонатных реагентов является понижение вязкости, основанное на сочетании стабилизирующего и ингибирующего эффектов. Ингибирующее действие кальциевой ССБ в пресных растворах мягче, чем действие извести.

Раствор термостоек до 130 °С.

Водные растворы высокомолекулярных полимеров (акрилатов, полисахаридов), структурированные малыми добавками бентонита, или без него. Эти растворы предупреждают диспергирование разбуриваемых пород и повышение содержания твердой и глинистой фаз в растворе. Они характеризуются низким содержанием глинистой фазы, что способствует улучшению показателей бурения.

Термостойкость полимерных недиспергирующих растворов зависит от применяемых полимеров. Наибольшую термостойкость (до 250 °С) имеют растворы на основе акриловых полимеров. Полимерные растворы могут быть безглинистыми.

Главная проблема применения таких растворов – предотвращение обогащения их выбуренной породой. Поэтому в состав раствора вводят специальные реагенты-флокулянты селективного действия (например, гидролизованный полиакриламид – ПАА), флокулирующие кальциевую глину и грубодисперсную фракцию выбуренной породы.

  1. Для снижения интенсивности перехода выбуренной породы в глинистый раствор, повышения устойчивости стенок скважины используют ингибирующие растворы, в состав которых входит неорганический электролит, или полиэлектролит.
  2. Снижение размокаемости и диспергирования выбуренных шламов достигается в результате:
  3. — ввода в суспензию электролита, содержащего поливалентный катион (гипс, хлорид кальция);
  4. — добавки солей поливалентных металлов, переходящих в растворе в гидроокиси;
  5. — обработки высокощелочными соединениями, увеличивающими глиноемкость буровых растворов;
  6. — использования модифицированных лигносульфонатов;
  7. — обработки раствора полимерными соединениями.

В практике бурения скважин при разбуривании глинистых пород для уменьшения числа осложнений, связанных с загустеванием раствора, сальникообразованиями и нарушениями целостности ствола скважины, нередко используют высокощелочные глинистые и безглинистые растворы с рН = 11÷13. К ним относят растворы, обработанные лигносульфонатами в сочетании с едким натром, известковые, алюминатные, безглинистые, солестойкие.

Буровые глинистые растворы из кальциевой глины, которые содержат ингибирующую добавку – высокощелочной алюминат натрия, стабилизированный лигносульфонатами. Алюминатные растворы бывают пресными и соленасыщенными.

Пресные алюминатные растворы используют для разбуривания глинистых отложений в условиях невысоких (до 100 °С) забойных температур. В качестве реагента-стабилизатора используются только ССБ, применяемые совместно с алюминатом натрия.

Алюминатные глинистые растворы (АлГР) обладают устойчивостью в широком диапазоне хлорнатриевой минерализации и большими показателями фильтрации. Для предотвращения пенообразования в раствор вводят пеногасители.

Сложные многокомпонентные системы, включающие, кроме глины и воды, четыре обязательных реагента: известь, каустик, понизитель вязкости, защитный коллоид. В их состав также могут входить нефть или дизельное топливо, утяжелитель и различные добавки специального назначения.

Предлагаем ознакомиться  Бурение скважин с отбором керна

Известковые растворы используют при разбуривании высококоллоидных глинистых пород и аргиллитов. В результате применения известковых растворов повышается их глиноемкость, снижаются пептизация выбуренной глины, набухание и вспучивание сланцев, слагающих стенки скважины, уменьшается опасность прихватов.

Известковые растворы применяют до температуры 100–120 °С.

Такие растворы состоят из бурого угля, каустической соды, воды и гидроксида поливалентного металла, применяются при проводке скважин, осложненных наличием хемогенных отложе- ний, осыпающихся и склонных к обвалам терригенных пород.

Крепящее действие основано на образовании в определенных температурных условиях нерастворимых в воде цементирующих веществ – гидросиликатов и гидроалюминатов двухвалентных металлов.

При отсутствии двухвалентных катионов в буровом растворе и разбуриваемых породах происходит только химическое разрушение щелочью глинистых минералов без связывания продуктов разрушения в нерастворимые соединения.

Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

При отсутствии каустической соды и наличии только ионов кальция буровой раствор превращается в разновидность кальциевого раствора. Вязкость БСК зависит от количества введенного бурового угля. Вследствие высокой щелочности раствор термостоек до 100 °С.

Недостатки этих растворов — низкая термостойкость и высокая щелочность. Так как при использовании данного раствора не исключен переход в него выбуренной породы, то возможно сильное загустевание и даже затвердение раствора.

Кальциевые растворы

Ингибирующие буровые глинистые растворы, содержащие, кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов – понижающих вязкость, фильтрацию и регуляторов щелочности, специальные вещества – носители ионов кальция. Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.

Кальциевые буровые растворы, содержащие в качестве ингибитора — носителя ионов кальция гидроксид кальция, более высокая растворимость которого обеспечивается пониженным значением рН раствора (9–9,5). Эти растворы предназначены для разбуривания глинистых отложений. Температурный предел 160 °С.

Гипсовые растворы

Ингибирующие кальциевые растворы содержащие в качестве носителя ионов кальция гипс и гидроксид кальция. Гипсовые растворы предназначены для разбуривания высококоллоидных глинистых пород в условиях высоких забойных температур (до 160 °С).

Ингибирующие кальциевые растворы, содержащие в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция. Оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3–5 г/л. Хлоркальциевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Термостойкость его ограничена (100 °С).

Калиевые растворы

Калиевые растворы содержат в качестве ингибирующих электролитов соединения калия. Действие калиевых растворов обусловлено насыщением ионами калия глинистых минералов.

Наиболее быстрое насыщение глин ионами калия происходит при рН = 9÷10. Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчивых глинистых сланцев.

Буровые растворы для бурения нефтяных и газовых скважин

Существует ряд разновидностей калиевых растворов, отличающихся составом и некоторыми свойствами.

Силикатные растворы

Силикатные растворы содержат в качестве ингибирующей добавки силикат натрия. Они применяются для повышения устойчивости ствола скважины при разбуривании осыпающихся пород. Растворы не пригодны при разбуривании мощных отложений гипсов и ангидритов.

Силикатный раствор готовят из предварительно гидратированного в пресной воде глинопорошка, в который вводят УЩР, КМЦ, силикат натрия.

Повышение структурно-механических характеристик достигается вводом пасты, приготовленной из бентонитово- го глинопорошка с добавкой УЩР.

Гидрофобизирующие растворы содержат в качестве ингибирующих добавок вещества, вызывающие гидрофобизацию глинистых пород, кремнийорганические соединения или соли высших жирных или нафтеновых кислот. Эти соединения адсорбируются на глинистых минералах, создавая гидрофобный барьер, препятствующий контактированию глин с дисперсионной средой (водой).

Во избежание кавернообразований соли разбуривают с использованием соленасыщенных растворов. В зависимости от пластовых давлений, мощности и состава соленосные породы бурят с применением рассола, глинистого соленасыщенного раствора, не обработанного реагентами — понизителями фильтрации, и соленасыщенного глинистого раствора, стабилизированного реагентами.

В состав этого раствора входят глина, вода и соль. Для улучшения смазывающих свойств добавляют нефть, графит, а при необходимости получения высокой плотности — утяжелитель. Такой раствор может применяться при температуре до 160 °С.

Раствор готовят из предварительно гидратированного в пресной воде глинопорошка, а затем вводят кальцинированную и каустическую соду.